模拟集成电路及其应用.ppt

第六章：模拟集成电路及其应用,北京邮电大学电信院电路与系统中心,内容提要,内容提要,介绍集成运算放大器的组成、工作原理、主要性能指标、特性参数,介绍集成运放的基本应用电路及分析方法,集成运放的模拟运算电路,电压比较器,简单介绍模拟乘法器及其应用,集成运算放大器的特点,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,集成运算放大器(Operational Amplifier)，简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路,特点：,增益高,输入电阻大、输出电阻低,共模抑制比高,失调与漂移小,输入电压为零时输出电压也为零,适用于正、负两种极性的输入和输出信号,集成运算放大器的组成,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,uA741的原理电路-总图,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,uA741的原理电路-输入级,T1-T9为差分输入级,T1、T3和T2、T4组成共集-共基组合差放,T5-T7为改进型镜像电流源作该级的有源负载，以提高电压增益并完成单端-双端输出的转换,T8-T9为镜像电流源，为输入级提供偏置电流,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,uA741的原理电路-中间级,T16、T17和T13组成中间级,T16为射极跟随器,T17为共射放大管，T13(B路)作为其有源负载,该级电压增益可达55dB以上，其输入电阻很高，故对前级的影响较小,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,uA741的原理电路-输出级,T14、T15及T18-T24等组成输出级,T24、T13(A路)及其作用,T14、T20、T18、T19及其作用,T15、R9及其作用,R10和T21-T23的作用,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,uA741的原理电路-偏置电路,T12、R5、T11构成主偏置电路，提供参考电流,输入级的偏置，注意存在的负反馈作用,中间级的偏置,输出级的偏置？,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,uA741的原理电路-总结,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,运算放大器内部电路的特点(一),集成运放的许多性能参数主要取决于差分输入级的性能。集成运放的发展主要是以改进差分输入级的性能为主要标志,中间级的主要作用是提供足够高的电压增益，应有高输入电阻。该级还常担任电平移动的任务。多采用有源负载的共射电路,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,输出级的主要要求是能向负载提供足够的功率，输出电阻要小，动态范围要大。为了使用安全，一般还应附有过载保护电路,集成运放的组成及各部分特点(二),直流偏置电路的作用,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,集成运放的级间耦合均采用直接耦合方式,电路中的二极管主要用于温度补偿、电平偏移、提供偏置电压等，多使用三极管的发射结代替,集成运放的符号及输入、输出信号,集成运放有两个输入端，一个输出端,分别为反相输入端与同相输入端,运放两输入端所加信号电压之差 即为差模输入电压。假定运放的共模抑制比极高，其共模输出可以忽略，则运放的输出与输入函数关系可以表示为。其中，为集成运放的开环差模电压增益,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,uA741的外部连接,2、3引脚分别为反相和同相输入端,6脚为输出端,7、4脚分别接正、负直流电源,1、5脚之间接调零电位器,8、9脚之间接校正电容,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,集成运算放大器的传输特性,静态时,加入差模输入电压 后,输入电压 增加到一定程度后,故运放的传输特性大体上可分为线性区与饱和区,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,理想集成运放的技术参数,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,理想运放是指分析集成运放时将各种参数理想化,此时的技术参数有：,实际的集成运放无法达到理想指标，但随着工艺的改进，可在工程计算的简化分析时将实际运放视为理想运放进行近似估算,理想集成运放工作在线性区时的特点,第一节：集成运算放大器的组成及基本特性,集成运放工作在线性区时，输入电压与运放两个输入端的电压间存在线性关系,一般情况下，运放在线性区工作时都加有较深的负反馈。此时，亦可以使用虚短路和虚开路的分析方法,输入失调参数(一),输入失调电压,在室温及标准电源电压下，静态(输入电压为零)时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端所加的补偿电压,其大小反映了集成运放中电路的对称程度和电平配合情况,输入偏置电流,输出电压为零时两输入端静态电流的平均值，即：,第二节：集成运算放大器的主要参数,输入失调参数(二),输入失调电流,输出电压为零时流入运放两输入端静态电流之差，即：,输入失调电压的温漂,对于双极型运放，它反映了输入级差动放大管 的不对称程度。一般希望其越小越好,指在规定温度范围 内随温度的变化率，即 的温度系数。是衡量运放温漂的重要指标,第二节：集成运算放大器的主要参数,输入失调参数(三),第二节：集成运算放大器的主要参数,输入失调电流的温漂,指在规定温度范围内 的温度系数,和 不能用外接调零电路来补偿,输入失调参数是限制运放能够检测微弱信号最小值的主要因素。因此，在对微弱信号的精密检测、精密模拟运算和自动控制仪表中对运放的这类参数会有很高的要求,差模特性参数,最大输出电流,运放所能输出的正向或负向的峰值电流,最大差模输入电压,运放两输入端所能承受的最大差模输入电压,第二节：集成运算放大器的主要参数,开环差模电压增益,集成运放在无外加反馈情况下对差模信号的电压增益,开环带宽BW,下降3dB时的频率,单位增益带宽,运放的开环差模电压增益下降至0dB时的频率,共模特性参数(一),共模抑制比,集成运放开环差模电压增益与共模电压增益的比值，即：,一般情况下，集成运放共模抑制比的频响特性主要取决于差动输入级共模抑制比的频响特性，因而其共模抑制比也会随频率的增加而下降,第二节：集成运算放大器的主要参数,共模特性参数(二),共模电压增益,最大共模输入电压,运放输入端所允许施加的共模输入电压的最大值。超过此值共模抑制比将明显下降,第二节：集成运算放大器的主要参数,运放输入端加共模输入电压时的增益,大信号动态特性(一),转换速率(摆率),代表集成运放对大幅度阶跃输入信号的适应能力，是在大信号条件下输出电压的最大变化率，即：,是运放在大信号或高频信号工作时的一项重要指标。只有信号的变化速率的绝对值小于时，输出才能随输入信号线性变化,第二节：集成运算放大器的主要参数,大信号动态特性(二),全功率带宽,表征运放在频域中的大信号特性。设运放工作在线性状态且输入为正弦信号，在额定负载和全功率输出时，能满足 的最高信号频率即为全功率带宽。即为：,该式表示集成运放工作在大信号条件下时，时域特性与频域特性之间的关系,第二节：集成运算放大器的主要参数,电源特性及其它参数,静态功耗,当输入信号为零时，运放消耗的总功率即为静态功耗，显然：,电源电压抑制比,用来衡量电源电压波动对输出电压影响的程度，通常定义为折合到输入端的失调电压变化与电源电压变化的比值，即：,此外还有输出电阻、最大输出电压等指标，其意义与一般电路的相同,第二节：集成运算放大器的主要参数,其他集成运算放大器简介,第三节：其他集成运算放大器简介,原理图及分析略，请自行参照课本的说明学习其电路图,超高精度单片集成运算放大器OP177,高速宽带集成运算放大器LT1226,MC14573CMOS集成运算放大器,Bi_FET单片集成运算放大器,集成运放的线性应用(一),运放线性应用时，工作在传输特性的线性区，此时其差模输入电压极小,应以集成运放作为基本放大电路配合外部反馈网络，构成深度负反馈放大电路,深度负反馈使运放的净输入趋近于零是保证运放工作于线性状态的关键,第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路,集成运放的线性应用(二),由于深度负反馈使运放的净输入近似为零，有：,虚短路：运放两输入端的差模输入电压近似于零，即。此时运放两输入端可近似看成等电位，但不是真正的短路,虚断路：运放两输入端的输入电流近似为零，即。此时运放两输入端可视为不取电流，但不是断开,虚短路与虚开路同时存在，并且可写成,第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路,集成运放的非线性应用,运放的差模输入电压较大，工作在传输特性的限幅区，输出电压为 或，输入、输出之间成非线性关系,从电路角度看，集成运放处于无反馈(开环)或正反馈的工作状态，如电压比较器,第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路,基本反相输入放大电路,电路结构说明,只要 不是十分大，必满足深负反馈的条件,特点：,深负反馈下的输入电阻 输出电阻,反相输入端为虚地点,无共模输入信号，对共模抑制比无特殊要求,第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路,直流补偿电阻的原理,静止条件下：,两个输入端偏流所产生的电压：,设温度变化时的偏流变化相等,输出端没有因温度变化而产生的温漂。且输入级偏流的影响也相互抵消,第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路,T型反馈网络的原理,求电压放大倍数和输入电阻,电压并联负反馈电路,虚断：,虚地：,第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路,T型反馈网络的特点,在阻值不致太高的情况下，可同时获得较高的电压放大倍数和较高的输入电阻,但由于R4的引入使反馈系数减小，所以为保证足够的反馈深度，应选用开环增益更大的运放,第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路,基本同相输入放大电路,电路结构说明,又称为同相放大电路或同相比例运算电路,特点：,输入电阻很高，输出电阻,电路不存在虚地点，集成运放有共模输入电压且与输入电压相同，因而对运放的共模抑制比有较高要求,可转变为电压跟随器,第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路,几种常用的同相放大电路,输入端接有分压电阻的同相放大电路,第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路,电压跟随器,同反相运算电路-总结,反相输入,同相输入,电路组成,性能特点,低,低,反相比例运算,电压并联,虚地,输入输出电阻,同相比例运算,电压串联,无虚地，共模,输入输出电阻,第四节：集成运算放大器的同相和反相放大电路,加法运算电路-反相加法电路,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,电路结构说明,N为虚地点,故电路具有反相相加的功能,本电路中改变电阻(或)并不影响其它输入电压与输出电压的比例关系,加法运算电路-同相加法电路,电路结构说明,若直流电阻平衡，则可进一步简化,缺点：,各输入信号间相互影响，估算和调节麻烦,输入端的共模电压较高,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,减法运算电路-差分输入减法电路,电路结构说明,应用叠加定理及对同相输入及反相输入放大电路的分析方法进行分析,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,减法运算电路-反相求和减法电路,电路结构说明,两级的输入与输出关系可以分开计算的原因,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,基本积分电路(一),电路结构说明,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,若使用传输函数表示：,输入电阻：,基本积分电路(二),要保持正常的积分关系，对积分时间应有所限制,利用积分电路，把方波电压变换为三角波电压,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,同相输入积分电路,可使用拉式变换进行分析,要求正反馈恰到好处,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,微分运算电路,电路结构说明,根据虚地与虚断的概念可得：,上图存在的问题：,可能引起自激振荡,突变时可能使电路不能正常工作,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,基本对数运算电路,利用半导体PN结的指数型伏安特性，可以实现对数运算,电路结构说明,由虚短路、虚开路可得：,输出电压幅度不能超过0.7V，且要求输入电压为正，以保证晶体管处于导通状态,受温度影响很大,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,集成对数运算电路,选择T1、T2参数对称，则,R4应具有正的温度系数，以进行VT的温度补偿,调节R3的值可使输出电压超过0.7V,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,指数运算电路,电路结构说明,故该电路可以实现反对数运算,为了消除温度对运算精度的影响，也需要进行温度补偿,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,利用指数、对数电路构成其他运算,第五节：集成运算放大器的模拟运算电路,还可利用以上电路实现模拟信号的乘方、开方等运算，请自行思考实现方式,分析误差的意义,第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响,将集成运放看成理想增益器件时有：,、及其温漂为零,实际工作时，必然有运算误差。分析这些误差可以将所得结论作为选用运放和其它元件的依据,分析每种特定应用电路时起主要作用的参数：,直流运算电路中，及其温漂,交流小信号电路中，及,同、反相电路中，的不同影响,常根据实际情况来决定应考虑的参数类型，而将其它参数看成理想的,闭环反相放大电路的直流或低频等效模型,第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响,、为有限值引起闭环增益的误差,亦可推得增益相对误差,及反馈系数越大，产生的误差越小,说明忽略其它因素后的实际增益小于理想值,第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响,为有限值引起闭环增益的误差,和 越大，产生的运算误差越小,第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响,失调参数引起输出电压的误差,将左图用戴维南定理和诺顿定理等效并进行分析，可得：,和 越大，及 引起的误差电压也越大,、对 的影响可由调零电路予以补偿,第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响,运放的开环带宽对闭环增益的影响,设运放的开环增益函数只有一个极点起主导作用，则其开环电压增益函数可写成：,信号频率越高，产生的误差也越大,第六节：集成运算放大器参数对运算误差的影响,模拟乘法器简介,第七节：模拟乘法器及其应用,：乘积系数,理想乘法器的条件：,输入阻抗无穷大,输出阻抗为零,乘积系数为常数,有一个输入为零时输出为零，且无失调电压、电流,按照允许输入信号的极性，模拟乘法器有单象限、二象限和四象限之分,变跨导二象限乘法器的工作原理(一),第七节：模拟乘法器及其应用,变跨导型模拟乘法器利用输入电压控制差放差分管的发射极电路，使之跨导作相应的变化，从而达到与输入差模信号相乘的目的,变跨导二象限乘法器的工作原理(二),第七节：模拟乘法器及其应用,可正可负，但 必须大于零，故左图为二象限模拟乘法器,变跨导二象限乘法器的工作原理(三),第七节：模拟乘法器及其应用,的值必须小于,左图电路缺点：,的值越小，运算误差越大,与 有关，即受温度变化的影响,电路只能工作在二象限,可回顾习题,双平衡四象限变跨导乘法器(一),第七节：模拟乘法器及其应用,电路结构说明,双平衡四象限变跨导乘法器(二),第七节：模拟乘法器及其应用,双平衡四象限变跨导乘法器(三),第七节：模拟乘法器及其应用,可通过上图将左图的双端输出转变为单端输出，乘积系数可通过反馈电阻进行调节,该电路的输入信号最大值仍然受限,模拟乘法器的应用-乘方运算电路,第七节：模拟乘法器及其应用,模拟乘法器的应用-除法运算电路,第七节：模拟乘法器及其应用,左图中，与 必须是同相的，从而才能引入负反馈，使得电路正常工作,利用深负反馈条件下的虚短路与虚开路，可得：,由于 的极性受限制，故该电路为二象限除法运算电路,模拟乘法器的应用-开方运算电路,第七节：模拟乘法器及其应用,电压比较器的基本特性,电压比较器(简称比较器)的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定其输出是高电平还是低电平,第九节：电压比较器,电压比较器的输入为模拟量，输出为数字量，实际上是一位D/A转换器，可作为模拟电路与数字电路之间的接口电路,工作于开环或正反馈下的集成运放具有比较功能，也可采用单片集成电压比较器,电压比较器的两个重要参数(一),线性区边缘所对应的两个输入电压值的差值 即为比较器的灵敏度,越小，灵敏度越高,灵敏度标志着比较器对输入信号电压的分辨能力。为提高灵敏度，应选择开环增益大、失调与温漂小的集成运放或集成比较器构成电压比较器,第九节：电压比较器,电压比较器的两个重要参数(二),右图中 称为比较器的响应时间,越小响应速度越快,提高响应速度的方法：,运放不加相位补偿电容也可提高响应速度,第九节：电压比较器,比较器的输出限幅电路,第九节：电压比较器,通过在比较器的输出端加一个由稳压管构成的限幅电路，形成较稳定、精确的输出电平,若要求比较器输出高、低电平的绝对值不等，则可选用两只特性不同的稳压管反向串联使用,单片集成电压比较器的结构与特点,单片集成电压比较器的内部电路结构、工作原理与单片集成运放十分相近，其大部分指标与集成运放也相同,集成电压比较器的特点：,可直接驱动数字电路器件,通常工作在开环或正反馈状态，无需相位补偿电容，大大提高了响应速度,输入级工作电流较大，从而输入失调电流也较大，输入电阻较低,其开环电压增益与共模抑制比一般不大高，且失调电压也大些,灵敏度往往低于集成运放构成的比较器,第九节：电压比较器,单片集成电压比较器举例,请自行阅读课本,第九节：电压比较器,过零电压比较器,第九节：电压比较器,将信号与零电平进行比较的比较器为过零比较器,若输入信号为正弦波，则其输出为方波,精密全波整流器,一般单限电压比较器,只有一个门限电平的比较器，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。可用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平,第九节：电压比较器,滞回电压比较器(一),电路结构说明,输出限幅电路,传输特性曲线说明,第九节：电压比较器,滞回电压比较器(二),传输特性有两个分支，具有两个不同的阈值，从而有迟滞特性,两个阈值之差为“回差”电压,第九节：电压比较器,滞回电压比较器(三),两个门限值与 有关，而回差电压与 无关,滞回比较器也可接成同相输入方式，请自行分析其工作原理并画出传输特性,又称为施密特触发器，是由电平触发的双稳态触发器,第九节：电压比较器,滞回电压比较器(四),具有较强的抗干扰能力,响应速度快(由于引入了正反馈),灵敏度降低,常用来进行波形整形,第九节：电压比较器,窗口比较器,又称为双限比较器,传输特性说明,第九节：电压比较器,